The scale selection and feedback loops for the formation and sustainment of a mesoscopic staircase profile structure are investigated for drift wave-zonal flow turbulence. A mean field model derived from the Hasegawa–Wakatani system and including the evolution of mean density, mean vorticity and perturbed potential enstrophy (PE) is used. It is found that a quasi-periodic zonal staircase forms from self-sharpening of modulation. The principle feedback loop is through the nonlinear dependence of mixing length on electron density gradient, which enters by way of the potential vorticity gradient. Counterintuitively, shearing is not effective. Moreover, the number of steps in the staircase is sensitive to both the drive (production rate of PE and initial density gradient) and damping (flow viscosity and collisional diffusivity) factors. The minimal step scale is selected by competition between the initial density gradient and diffusive dissipation. Finite turbulence spreading is necessary to form the staircase, but moderate enhancement of turbulence spreading tends to wash out the pattern. The staircase retains a memory of its initial state. Both the mean shear and zonal shear affect the staircase evolution. A strong mean shear quenches the pattern by suppressing the drift wave turbulence. The implications of these findings are also discussed.
メソスケールの階段状構造の形成と維持に関するスケール選択とフィードバックループについて、ドリフト波-帯状流乱流の観点から調査する。長谷川-若谷系から導出された平均場モデルを用い、平均密度、平均渦度、摂動ポテンシャルエンストロフィー（PE）の時間発展を考慮する。準周期的な階段状構造は、変調の自己シャープニングによって形成されることが見出された。主要なフィードバックループは、ポテンシャル渦度勾配を通じて入る混合長の電子密度勾配への非線形依存性によるものである。直感に反して、せん断流自体の効果は有効ではない。さらに、階段状構造のステップ数は、駆動項（PEの生成率と初期密度勾配）と散逸項（流れの粘性と衝突拡散）の両方に敏感である。最小ステップスケールは、初期密度勾配と拡散散逸の間の競合によって選択される。階段状構造の形成には有限の乱流拡散が必要であるが、拡散の適度な増強は構造を消失させる傾向がある。階段状構造はその初期状態の記憶を保持する。平均流せん断と帯状流せん断の両方が階段状構造の時間発展に影響を与える。強い平均流せん断は、ドリフト波の抑制を通じて構造を消滅させる。これらの知見の意義についても議論する。